Химические реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов называют контактными аппаратами.
Главной характеристикой, по которой могут быть классифицированы рассматриваемые реакционные аппараты, является способ осуществления теплообмена в реакционной зоне: с теплообменом через стенку; с теплообменом при непосредственном контакте с катализатором или при смешении с теплоносителем (адиабатические реактора).
Независимо от способа осуществления теплообмена, реакторы различаются по состоянию катализатора, который может располагаться неподвижным слоем или находиться в движении.
1. Контактные аппараты с неподвижным слоем катализатора.
Все трубчатые реакторы обеспечивают хороший тепловой режим, что обусловлено высоким отношением поверхности теплоотдачи к объему катализатора. Возможность достижения значительных линейных скоростей потоков газа в трубках обуславливает эффективную массо- и теплопередачу. К принципиальным недостаткам трубчатых реакторов относится трудность поддержания оптимального температурного режима по длине трубки.
Для реакторов с неподвижным слоем катализатора характерны следующие общие недостатки:
• периодичность работы (из-за необходимости регенерации катализатора);
• для обеспечения непрерывной работы установки необходимо применение батареи из нескольких реакторов (сильно усложняет и удорожает оборудование);
• неравномерность условий процесса (неудовлетворительное распределение температур и потоков по сечению и высоте реакционной зоны);
• различие условий в каждом реакционном цикле.
Все это приводит к нестандартности получаемых продуктов и снижению эффективности работы оборудования.
Этих недостатков в значительной степени лишены контактные аппараты с подвижным катализатором.
2. Контактные аппараты с движущимся слоем катализатора Основным принципом работы реакторов с движущимся слоем катализатора является непрерывное перемещение последнего в реакционной зоне при постоянном реакционном объеме. Катализатор непрерывно поступает в контактный аппарат и также непрерывно и с такой же скоростью выходит из него.
Установки с движущимся катализатором являются установками непрерывного действия.
Все контактные аппараты с движущимся катализатором относятся к группе реакторов с теплообменом при непосредственном контакте с катализатором (предварительно нагретым или охлажденным).
Реакторы с движущимся слоем катализатора существенно различаются по конструкции и закономерностям процессов в зависимости от размеров частиц применяемого катализатора. Катализатор может использоваться в виде зерен размером 3-5 мм (гранулированный катализатор) или в виде пыли с размером частиц 0.01-0.1 мм (пылевидный катализатор).
Размер частиц катализатора в контактном аппарате определяет способ перемещения катализатора. Гранулированный катализатор перемещают в плотном слое, пылевидный — в виде псевдоожиженной газопылевой системы.
Показатели работы контактного аппарата.
1. Время контакта – время соприкосновения реагентов с катализатором:
Vkat _ объем катализатора.
2. Объемная скорость – объем реакционной смеси, проходящей через единицу объема катализатора в единицу времени:
Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита (серного колчедана) FeS2.
Основные стадии получения серной кислоты :
Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):
Аппарат
Назначение и уравнения реакций
Печь для обжига
4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + Q
Измельченный очищенный пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое«. Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800 о С
Циклон
Из печи выходит печной газ, который состоит из SO2, кислорода, паров воды и мельчайших частиц оксида железа. Такой печной газ очищают от примесей. Очистку печного газа проводят в два этапа. Первый этап — очистка газа в циклоне. При этом за счет центробежной силы твердые частички ссыпаются вниз.
Электрофильтр
Второй этап очистки газа проводится в электрофильтрах. При этом используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра).
Сушильная башня
Осушку печного газа проводят в сушильной башне – снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льется концентрированная серная кислота.
Теплообменник
Очищенный обжиговый газ перед поступлением в контактный аппарат нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата.
Контактный аппарат
2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q
В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3):
Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоев катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.
Получение H2SO4 протекает в поглотительной башне.
Однако, если для поглощения оксида серы использовать воду, то образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты. Для того, чтобы не образовывался сернокислотный туман, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3.
Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.
Общие научные принципы химического производства:
Добавить комментарий Отменить ответ
Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.
4.2.2.1 Общие научные принципы химического производства (на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола).
Производство аммиака
Промышленный синтез аммиака основан на прямом взаимодействии простых веществ — азота N2 и водорода H2. Азот, используемый при производстве аммиака, получают фракционной перегонкой жидкого воздуха, а водород – паровой конверсией угля или природного газа:
Рассмотрим уравнение взаимодействия азота с водородом:
Данная реакция является каталитической, т.е. ее скорость многократно возрастает в присутствии катализатора. В качестве катализатора синтеза аммиака из азот-водородной смеси используют катализатор на основе пористого железа.
Поскольку реакция взаимодействия азота с водородом является экзотермической, то для смещения равновесия в сторону образования аммиака процесс целесообразно проводить при низких температурах. Однако без нагревания скорость реакции взаимодействия азота с водородом ничтожно мала, поэтому для синтеза аммиака при выборе температурных условий приходится ориентироваться на «золотую середину». Такой «золотой серединой» является температура около 400-500 о С.
Негативным следствием использования высокой температуры является то, что равновесие реакции сильно смещается в сторону обратной реакции – разложения аммиака, вследствие чего падает его выход.
Согласно уравнению взаимодействия азота и водорода, при протекании реакции суммарное количество газообразных веществ уменьшается, ведь при взаимодействии 3 моль водорода и 1 моль азота (всего 4 моль) взамен образуется только 2 моль аммиака. Поэтому, исходя из принципа Ле Шателье, негативные эффекты, связанные с разложением аммиака, можно снизить, осуществляя процесс под высоким давлением. Давление азот-водородной смеси в колонне синтезасоздается с помощью турбокомпрессора и составляет около 300 атм. Тем не менее, даже несмотря на использование колоссального давления, степень превращения азот-водородной смеси «за один заход» не превышает 20 %. Дальнейшее повышение давления по ряду причин невозможно, поэтому проблема низкого выхода решается довольно простым способом. Образовавшийся аммиак отделяется в сепараторе от непрореагировавшей азот-водородной смеси, а оставшаяся смесь направляется с помощьюциркуляционного компрессора обратно в колонну синтеза вместе с новой порцией сырья. Такой прием носит название принципа циркуляции. Благодаря принципу циркуляции степень превращения азот-водородной смеси в аммиак удается повысить до 95%.
Производство серной кислоты
В качестве серосодержащего сырья для производства серной кислоты могут быть использованы сера или сероводород (побочные продукты нефтепереработки), минерал пирит FeS2, а также сульфиды некоторых других d-элементов. Никакие другие виды сырья не используются.
В настоящий момент основным сырьем для производства серной кислоты являются сероводород и сера, поскольку они в огромных количествах образуются в качестве побочных продуктов нефтепереработки.
Однако же в школьной программе пока еще по-прежнему считается, что серная кислота производится преимущественно из пирита, в связи с чем и мы будем рассматривать основные стадии производства серной кислоты именно этого же сырья.
Первая стадия
Заключается в сжигании предварительно измельченного пирита в токе обогащенного кислородом воздуха. Процесс протекает в соответствии с уравнением:
Обжиг осуществляют при температуре около 800 о С в печи для обжига. В процессе обжига используют так называемый метод кипящего слоя – частицы измельченного пирита подаются в печь сверху, а воздух — снизу. В результате этого раскаленные частицы пирита оказываются подвешенными в токе воздуха, внешне напоминая кипящую жидкость.
После обжига пирита полученный печной газ, содержащий диоксид серы, отделяется от твердых примесей огарка (Fe2O3) с помощью циклона. Циклоном называют аппарат, в котором происходит грубая очистка печных газов за счет центробежной силы от наиболее крупных твердых частиц. Далее после грубой очистки смесь газов проходит более глубокую очистку уже от оставшихся мелких твердых частиц с помощью электрофильтра. Принцип действияэлектрофильтра основан на том, что к наэлектризованным металлическим пластинам прилипает пыль, которая после скопления ссыпается с них под собственным весом в приемник.
После очистки от твердых примесей печной газ направляется в нижнюю часть так называемой сушильной башни, в верхнюю часть которой впрыскивается концентрированная серная кислота на встречу газу. При таком варианте осуществления фактически сталкиваются два потока — смеси газов, идущей снизу, и струи жидкой концентрированной серной кислоты, текущей сверху. Очевидно, что в результате этого достигается максимальная степень «смешения» газа с осушающей жидкостью. Данный прием носит название принципа противотока.
Вторая стадия
После очистки от твердых примесей и осушки концентрированной серной кислотой газы поступают в контактный аппарат. В контактном аппарате расположены полки с катализатором V2O5, который катализирует взаимодействие диоксида серы с кислородом в соответствии с уравнением:
Аналогично реакции взаимодействия азота с водородом, рассмотренной выше, данная реакция также является каталитической, экзотермической и протекает с уменьшением количества газообразных веществ. Поэтому с точки зрения принципа Ле Шателье ее следовало бы проводить при низких температурах. Однако при низких температурах скорость реакции крайне низка, и ее осуществляют при оптимальной температуре около 400-500 о С. Смещения равновесия реакции в сторону разложения SO3 при повышении температуры удается практически полностью избежать, проводя реакцию при повышенном давлении.
Третья стадия (заключительная)
После второй стадии образовавшийся триоксид серы поступает в часть установки, называемую поглотительной башней.
Из названия данного аппарата логичным было бы предположить, что триоксид серы в нем поглощается в этой части установки водой, ведь триоксид серы, взаимодействуя с водой, образует серную кислоту. Однако в реальности серный ангидрид SO3поглощают не водой (. ), а концентрированной серной кислотой. Связано это с тем, что при смешении серного ангидрида с водой выделяется колоссальное количество теплоты, в результате чего сильно возрастают температура, давление и образуются мельчайшие капли трудноуловимого сернокислотного тумана.
В результате поглощения SO3 концентрированной серной кислотой фактически образуется раствор SO3 в безводной серной кислоте, который называют олеумом. Далее образующийся олеум собирается в металлические емкости и отправляется на склад. Серную кислоту необходимой концентрации получают, добавляя к олеуму воду в нужной пропорции. В результате добавления воды избыток SO3 превращается в серную кислоту.
Производство метанола
Производство метанола основано на реакции взаимодействия угарного газа CO с водородом H2, которая протекает в соответствии с уравнением:
Технологическая цепочка производства метанола практически идентична таковой для получения аммиака. Это обусловлено определенным сходством реакций. Так, например, реакции образования аммиака и метанола являются экзотермическими, обратимыми, каталитическими и протекают с уменьшением объема газообразных веществ.
В синтезе метанола из угарного газа и водорода используются все те же приемы, что и в синтезе аммиака из азот-водородной смеси, в частности:
Изобретение относится к конструкциям контактных аппаратов, применяемых для проведения каталитических реакций, например, для окисления диоксида серы до триоксида серы при производстве серной кислоты, и позволяет повысить экономичность и облегчить эксплуатацию аппарата путем упрощения и ускорения замены катализатора. Контактный аппарат для проведения каталитической гетерогенной реакции газообразных реагентов с радиально-спиральным ходом газа через слой катализатора, содержащий преимущественно цилиндрический корпус с крышкой, патрубки входа и выхода газа, размещенную в корпусе кольцеобразную катализаторную катализаторную коробку, включающую внутреннюю и наружную перфорированные обечайки, внутри которой по всей высоте установлены спиральные перегородки, пространство между которыми заполнено катализатором, имеющие каналы, объединенные коллекторами входа и выхода газа, перед катализаторной каробкой по ходу газа концентрично ей и оси аппарата расположена кольцеообразная корзина, заполненная катализатором, внутренняя и наружная стенки которой выполнены перфорированными. Кроме того,кольцеобразная корзина выполнена съемной и снабжена стропочными устройствами, а крышка съемной корзины герметично закреплена на крышке катализаторной коробки. Корпус снабжен наружным теплоизоляционным слоем. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к конструкциям контактных аппаратов, применяемых для проведения каталитических реакций, например, для окисления диоксида серы до триоксида серы при производстве серной кислоты, и может быть использовано в химической промышленности.
Целью изобретения является повышение экономичности и облегчение эксплуатации путем упрощения и ускорения замены катализатора.
На фиг. 1 изображен контактный аппарат для проведения каталитической гетерогенной реакции газообразных pеагентов, общий вид; на фиг.2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вариант узла выгрузки катализатора из катализаторной коробки.
Контактный аппарат содержит корпус 1, теплоизоляционную футеровку 2, съемную корзину 3 с защитным слоем катализатора и катализаторную коробку 4 с основным слоем катализатора, наружную 5 и внутреннюю 6 перфорированные обечайки, днище 7 и крышку 8 съемной корзины с защитным слоем катализатора, наружную 9 и внутреннюю 10 перфорированные обечайки, днище 11 и крышку 12 катализаторной коробки с основным слоем катализатора, патрубки входа 13 и выхода 14 газовой смеси, патрубок 15 холодного байпаса, спиральные перегородки 16, вертикальные коллекторы входа 17 и выхода 18 теплоносителя, в частности исходного сырья, и катализатор 19. На крышках 8 и 12 съемной корзины и катализаторной коробки имеются строповочные устройства 20. Катализаторная коробка 4 может быть выполнена съемной (снабжена строповочным устройством 20) (см. фиг.1), при этом она может быть снабжена узлом выгрузки катализатора (см. фиг. 3), расположенным в ее нижней части и представляющим собой, например, коническую камеру 21, соединенную патрубками 22 с днищем 11 катализаторной коробки 4. Коническая камера 21 заканчивается патрубком 23 для выгрузки катализатора из аппарата.
Контактный аппарат работает следующим образом.
При проведении технологического процесса окисления диоксида серы до триоксида серы газовую смесь через патрубок 13 и вертикальные коллекторы входа 17 теплоносителя направляют в каналы спиральных перегородок 16 основного слоя, откуда она собирается в вертикальные коллекторы 18 и направляется через внутреннюю 6 перфорированную обечайку корзины 3 защитного слоя катализатора на катализатор 19, пройдя который, газовая смесь через наружную 5 перфорированную обечайку корзины 3, кольцевой зазор между корзиной 3 и катализаторной коробкой 4, внутреннюю 10 перфорированную обечайку катализаторной коробки поступает на катализатор 19 основного слоя. Катализатор засыпан между спиральными перегородками 16. На катализаторе осуществляется процесс окисления диоксида серы до триоксида серы. При этом тепло реакции через стенки (теплообменные поверхности) спиральных перегородок 16 передается газу, поступающему на окисление. Выйдя из катализаторного слоя, газ через наружную перфорированную обечайку 9 катализаторной коробки и патрубок 14 выводится из контактного аппарата.
Регулирование температуры газа, идущего на окисление диоксида серы, осуществляется холодным байпасом через патрубок 15 перед защитным слоем катализатора.
При работе контактного аппарата первые по ходу газа гранулы катализаторного слоя довольно быстро спекаются, что уменьшает активность и увеличивает гидравлическое сопротивление катализатора. Использование съемной корзины с защитным слоем катализатора перед основным слоем катализатора значительно упрощает и ускоряет процесс замены катализатора защитного слоя, предотвращает спекание катализатора основного слоя. При этом для основного слоя создаются оптимальные условия проведения процесса, заключающиеся в том, что отвод тепла осуществляется по мере его выделения благодаря развитой теплообменной поверхности, созданной внутри аппарата.
Замену катализатора в катализаторной коробке 4 производят следующим образом.
В а р и а н т 1. Катализаторная коробка съемная. В этом случае катализаторную коробку 4 отсоединяют от патрубка 13 входа газа и, используя строповочные устройства 20, извлекают ее из корпуса 1 аппарата. Замена катализатора производится вне аппарата. При этом возможна ее замена резервной катализаторной коробкой, заранее заполненной свежим катализатором.
В а р и а н т 2 (фиг.3). Катализаторная коробка 4 установлена в корпусе 1 стационарно. В этом случае загрузку в нее катализатора производят через патрубки 24, присоединенные к крышке 12 катализаторной коробки 4, а выгрузку отработавшего катализатора производят через патрубки 22, размещенные верхним концом в днище 11, а нижние концы патрубков 22 соединены с конической камерой 21, заканчивающейся патрубком 23, через который катализатор выводят из аппарата. Для предотвращения проскока газовой смеси мимо защитного слоя катализатора крышка 8 корзины 3 с защитным слоем катализатора герметично закреплена на крышке 12 катализаторной коробки 4.
Сочетание радиального слоя в корзине с защитным слоем катализатора с радиально-спиральным в катализаторной коробке обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление контактного аппарата наряду с простотой замены катализатора защитного слоя.
Применение наружной теплоизоляции также сокращает объем строительно-монтажных работ, повышает степень заводской готовности аппарата, исключает необходимость сборки его на монтажной площадке. При этом снижаются затраты в связи с возможностью применения более дешевого теплоизоляционного материала, так как он не подвергается воздействию агрессивной среды.
Использование предлагаемого контактного аппарата обеспечивает по сравнению с известными повышение экономичности за счет создания оптимальных условий для проведения процесса и снижение гидравлического сопротивления. За счет более рационального использования объема, включая применение наружной теплоизоляции аппарата, повышается надежность его эксплуатации, уменьшается объем сборочных работ, облегчается и ускоряется замена катализатора.
1. КОНТАКТНЫЙ АППАРАТ для проведения каталитической гетерогенной реакции газообразных реагентов с радиально-спиральным ходом газа через слой катализатора, содержащий преимущественно цилиндрический корпус с крышкой и днищем, патрубки входа и выхода газа, размещенную в корпусе кольцеобразную катализаторную коробку, включающую внутреннюю и наружную перфорированные обечайки, внутри которой по всей высоте установлены спиральные перегородки, пространство между которыми заполнено катализатором, имеющие каналы, объединенные коллекторами входа и выхода газа, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и облегчения эксплуатации путем упрощения и ускорения замены катализатора, он снабжен установленной перед катализаторной коробкой по ходу газа концентрично расположенной по оси кольцеобразной съемной корзиной, заполненной катализатором, внутренняя и наружная стенки которой выполнены перфорированными.
2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что крышка съемной корзины герметично закреплена на крышке катализаторной коробки.
3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что катализаторная коробка закреплена в корпусе аппарата, при этом ее крышка снабжена патрубками загрузки катализатора, а днище патрубками выгрузки катализатора, объединенными в коническую камеру, заканчивающуюся патрубком вывода катализатора из аппарата.
